CN111917304A - 一种数字电源 - Google Patents

Abstract

本申请公开了一种数字电源，包括功率电路、模拟补偿电路、基准电压调节电路和数字控制器。模拟补偿电路用于采集功率电路的输出电压，并基于输出电压和接收到的基准电压向数字控制器输出补偿电压；数字控制器用于接收补偿电压，并基于补偿电压和预设周期值输出功率电路控制信号和基准电压控制信号，功率电路控制信号用于控制功率电路执行逆变和整流；基准电压调节电路用于接收基准电压控制信号，并向模拟补偿电路输出基准电压。其中的模拟补偿器能够极大的节省数字控制器的资源，使的环路响应更快，使电源达到更高的带宽，缩短动态响应的时长，从而使该数字电源能够输出稳定的输出电压，满足了电子系统对平稳供电电压的需求。

Description

一种数字电源

技术领域

本申请涉及电源技术领域，更具体地说，涉及一种数字电源。

背景技术

由于电子系统变得越来越复杂，对电源的要求也越来越高。尤其在服务器、通信和新能源等领域，一般会有监控和管理加电、测序、负载分配和平衡、轻载效率、故障上报等要求，而传统的模拟电源实现这些功能会使系统变得复杂和高成本；而数字电源因为控制方式灵活，且通过单芯片就可以实现电源管理、保护、故障上报等功能，无疑是应对这些新要求的最佳解决方案。

但是，由于数字电源的数字控制器本身受限于采样速率、PWM分辨率、CPU性能等因素，难以达到模拟电源的控制器那样的高带宽。本申请的发明人在实践中发现，对于数字电源来说，由于重复周期不等于计算周期的波形计算的平均值存在较大的波动，使得数字电源的补偿电路输出的调节信号不稳定，从而使其输出电压存在较大波动，无法满足电子系统对平稳供电电压的需求。

发明内容

有鉴于此，本申请提供一种数字电源，用于输出稳定的输出电压，以满足电子系统对平稳供电电压的需求。

为了实现上述目的，现提出的方案如下：

一种数字电源，包括功率电路、模拟补偿电路、基准电压调节电路和数字控制器，其中：

所述模拟补偿电路用于采集所述功率电路的输出电压，并基于所述输出电压和接收到的基准电压向所述数字控制器输出补偿电压；

所述数字控制器用于接收所述补偿电压，并基于所述补偿电压和预设周期值输出多路PWM控制信号，所述多路PWM控制信号包括功率电路控制信号和基准电压控制信号，所述功率电路控制信号用于控制所述功率电路执行逆变和整流；

所述基准电压调节电路用于接收所述基准电压控制信号，并向所述模拟补偿电路输出所述基准电压。

可选的，所述功率电路为对称半桥同步整流变换器，所述对称半桥同步整流变换器包括功率开关电路和同步整流开关电路，所述功率开关电路与所述同步整流开关电路通过变压器连接。

可选的，所述功率电路控制信号包括两路用于驱动所述功率开关电路的第一PWM控制信号，和两路用于驱动所述同步整流开关电路的第二PWM控制信号，所述第一PWM控制信号与所述第二PWM控制信号的相位差180°。

可选的，所述模拟补偿电路为3型运算放大器补偿网络。

可选的，所述3型运算放大器补偿网络包括第一电阻、第二电阻、第三电阻、第四电阻、第一电容、第二电容、第三电容和运算放大器，其中：

所述第一电阻的一端与所述功率电路的电压输出端电连接，并与所述第三电容的一端连接，所述第一电阻的另一端分别于所述第三电阻的一端、所述第四电阻的一端、所述运算放大器的正相输入端电连接；

所述第三电阻的另一端与所述第三电容的另一端连接，所述第四电阻的另一端接地；

所述运算放大器的正相输入端还与所述第一电容的一端、所述第二电容的一端连接，所述运算放大器的反相输入端用于接收所述基准电压，所述运算放大器的输出端用于输出所述补偿电压；

所述第一电容的另一端分别与所述运算放大器的输出端、所述第二电阻的一端连接，所述第二电阻的另一端与所述第二电容的另一端连接。

可选的，所述基准电压调节电路为有源滤波电路、单级RC滤波电路或多级RC滤波电路。

可选的，所述多级RC滤波电路为两级RC滤波电路。

可选的，所述两级RC滤波电路包括第五电阻、第六电阻、第七电阻、第四电容和第五电容，其中：

所述第五电阻的一端分别与所述第四电容的一端、所述第七电阻的一端连接，且用于输出所述基准电压，所述第四电容的另一端接地，所述第七电阻的另一端接地；

所述第五电阻的另一端分别与所述第五电容的一端、所述第六电阻的一端连接，所述第五电容的另一端接地；

所述第六电阻的另一端用于接收所述基准电压控制信号。

可选的，所述数字控制器包括处理器、数字脉宽调制器和A/D转换电路，其中：

所述A/D转换电路用于接收所述补偿电压，并将数字转换得到的补偿电压值输出至所述处理器；

所述处理器用于根据所述补偿电压值和所述预设周期值进行计算，并向所述数字脉宽调制器输出脉宽调制指令；

所述数字脉宽调制器用于根据所述脉宽调制指令输出所述多路PWM控制信号。

从上述的技术方案可以看出，本申请公开了一种数字电源，包括功率电路、模拟补偿电路、基准电压调节电路和数字控制器。模拟补偿电路用于采集功率电路的输出电压，并基于输出电压和接收到的基准电压向数字控制器输出补偿电压；数字控制器用于接收补偿电压，并基于补偿电压和预设周期值输出多路PWM控制信号，多路PWM控制信号包括功率电路控制信号和基准电压控制信号，功率电路控制信号用于控制功率电路执行逆变和整流；基准电压调节电路用于接收基准电压控制信号，并向模拟补偿电路输出基准电压。其中的模拟补偿器能够极大的节省数字控制器的资源，使的环路响应更快，使电源达到更高的带宽，缩短动态响应的时长，从而使该数字电源能够输出稳定的输出电压，满足了电子系统对平稳供电电压的需求。

附图说明

为了更清楚地说明本申请实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本申请的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。

图1为本申请实施例的一种数字电源的框图；

图2为本申请实施例的一种对称半桥同步整流变换器的电路图；

图3为本申请实施例的一种两级RC滤波电路的电路图；

图4为本申请实施例的一种3型运算放大器补偿网络的电路图；

图5为本申请实施例的一种数字控制器的电路图。

具体实施方式

下面将结合本申请实施例中的附图，对本申请实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本申请一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本申请中的实施例，本领域普通技术人员在没有作出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本申请保护的范围。

数字电源有多种定义。

定义一：通过数字接口控制的开关电源(它强调的是数字电源的“通信”功能)。

定义二：具有数字控制功能的开关电源(它强调的是数字电源的“数控”功能)。

定义三：具有数字监测功能的开关电源(它强调的是数字电源对温度等参数的“监测”功能)。

上述三种定义的共同特点是“模拟开关电源的改造升级”，所强调的是“电源控制”，其控制对象主要是开关电源的外特性。

定义四：以数字信号处理器(DSP)或微控制器(MCU)为核心，将数字电源驱动器、PWM控制器等作为控制对象，能实现控制、管理和监测功能的电源产品。它是通过设定开关电源的内部参数来改变其外在特性，并在“电源控制”的基础上增加了“电源管理”。所谓电源管理是指将电源有效地分配给系统的不同组件，最大限度地降低损耗。数字电源的管理(如电源排序)必须全部采用数字技术。

与传统的模拟电源相比，数字电源的主要区别是控制与通信部分。在简单易用、参数变更要求不多的应用场合，模拟电源产品更具优势，因为其应用的针对性可以通过硬件固化来实现，而在可控因素较多、实时反应速度更快、需要多个模拟系统电源管理的、复杂的高性能系统应用中，数字电源则具有优势。

此外，在复杂的多系统业务中，相对模拟电源，数字电源是通过软件编程来实现多方面的应用，其具备的可扩展性与重复使用性使用户可以方便更改工作参数，优化电源系统。通过实时过电流保护与管理，它还可以减少外围器件的数量。

实施例一

图1为本申请实施例的一种数字电源的框图。

如图1所示，本实施例提供的数字电源包括功率电路100、数字控制器10、模拟补偿电路20和基准电压调节电路30。其中数字控制器分别与功率电路、模拟补偿电路、基准电压调节电路电连接或者信号连接。

本实施例中的功率电路选用对称半桥同步整流变换器，也可以选用其他拓扑的整流变换器。在选用对称板桥同步整流变换器的情况下，该对称半桥同步整流器包括功率开关电路101和同步整流开关电路102，两者通过变压器T连接，如图2所示。功率开关电路用于接收输入电压，并与变压器的原边连接，同步整流开关电路则与变压器的副边连接，并通过其电压输出端输出相应电压的输出电压。

模拟补偿电路于采集功率电路的输出电压，并基于输出电压和从基准电压调节电路接收到的基准电压向数字控制器输出补偿电压；数字控制器基于该补偿电压和预设周期值计算多路PWM控制信号，多路PWM控制信号包括功率电路控制信号和基准电压控制信号，功率电路控制信号被输出至功率电路，用于控制功率电路执行逆变和整流；基准电压控制信号则被输出至基准电压调节电路。基准电压调节电路用于根据接收到的基准电压控制信号向模拟补偿电路输出该基准电压。

本实施例中的基准电压调节电路用于基于数字控制器输出的基准电压控制信号得到基准电压，并将基准电压输出至模拟补偿电路。该基准电压调节电路可以为有源滤波电路，也可以是单级或多级RC滤波电路。

本实施例以两级RC滤波电路为例，该两级RC滤波电路包括第五电阻R5、第六电阻R6、第七电阻R7、第四电容C4和第五电容C5，如图3所示。第五电阻的一端分别与第四电容的一端、第七电阻的一端连接，且用于输出基准电压，即该第五电阻的这一端为该两级RC率波电路的电压输出端。

另外，第四电容的另一端与第七电阻的另一端连接后接地，或者第四电容的另一端与第七电阻的另一端分别接地；第五电阻的另一端分别与第五电容的一端、第六电阻的一端连接，第五电容的另一端接地；第六电阻的另一端用于接收基准电压控制信号，即该第六电阻的另一端用于作为接收基准电压控制信号的信号输入端。

其输出的基准电压为：

其中D为基准电压控制信号PWM3H的占空比，Vcc为该信号的幅值电压。

本实施例中的模拟补偿电路选用3型运算放大器补偿网络，该网络包括第一电阻R1、第二电阻R2、第三电阻R3、第四电阻R4、第一电容C1、第二电容C2、第三电容C3和运算放大器U，如图4所示。

第一电阻的一端与功率电路的电压输出端电连接，用于采集功率电路的电压输出端的输出电压，第一电阻的这一端还与第三电容的一端连接；第一电阻的另一端分别与第三电阻的一端、第四电阻的一端、运算放大器的正相输入端电连接。

第三电阻的另一端与第三电容的另一端连接，第四电阻的另一端接地。运算放大器的正相输入端还与第一电容的一端、第二电容的一端连接，运算放大器的反相输入端用于接收上述基准电压，运算放大器的输出端用于输出补偿电压；第一电容的另一端分别与运算放大器的输出端、第二电阻的一端连接，第二电阻的另一端与第二电容的另一端连接。

其中，该3型运算放大器补偿网络的传递函数为:

其中

需要说明的是模拟补偿器的输出电压可以是经过滤波后的采样值，也可以是采样完成后进行数字滤波，也可以是不经过滤波的瞬时值。

本实施例中的数字控制器包括处理器11、数字脉宽调制器13和A/D转换电路12，如图5所示。A/D转换电路用于接收模拟补偿电路输出的补偿电压，并将数字转换得到的补偿电压值输出至处理器；处理器用于根据补偿电压值和预设周期值进行计算，并根据计算结果向数字脉宽调制器输出脉宽调制指令；数字脉宽调制器用于根据脉宽调制指令输出多路PWM控制信号。

该处理器可以选用DSP、MCU、DSC、复杂可编程逻辑器件CPLD，或现场可编程门阵列FPGA。

数字脉宽调制器是是一种用于对模拟信号电平进行数字编码的元件或电路。通过高分辨率计数器的使用，方波的占空比被调制用来对一个具体模拟信号的电平进行编码。PWM信号仍然是数字的，因为在给定的任何时刻，满幅值的直流供电要么完全有(ON)，要么完全无(OFF)。

电压或电流源是以一种通(ON)或断(OFF)的重复脉冲序列被加到模拟负载上去的。通的时候即是直流供电被加到负载上的时候，断的时候即是供电被断开的时候。只要带宽足够，任何模拟值都可以使用PWM进行编码。多数负载(无论是电感性负载还是电容性负载)需要的调制频率高于10Hz，通常调制频率为1kHz到200kHz之间。

新的补偿电压值可以参与计算占空比也可以用来参与计算周期值或相位，或者其它可以调节输出电压Vout的参数。其具体的调压参数取决于电源硬件使用的调压方式。当输出电压升高时，补偿电压值变小，因此新的补偿电压值也变小，导致最终计算的占空比变小，从而稳定输出电压；当输出电压降低时，补偿电压值变小，因此新的补偿电压值也变小，导致最终计算的占空比变小，从而同样起到稳定输出电压的作用。

如果电源采用变频调压，或相位调压方案，也可以通过周期/相位计算得到新的周期值Period或相位值Phase等，或采用其它调压方式实现稳压的方案。

该数字控制器输出的多路PWM控制信号包括两路用于驱动功率开关电路的第一PWM控制信号PWM1H和PWM2H，和两路用于驱动所述同步整流开关电路的第二PWM控制信号PWM1L和PWM2L。PWM1H和PWM1L为互补关系，PWM2H和PWM2L为互补关系，PWM1H和PWM2H相位差180°；该数字控制器输出的基准电压控制信号的频率可以与PWM1H和PWM2H相同，也可以不同。该多路PWM控制信号还包括基准电压控制信号PWM3H。

从上述技术方案可以看出，本实施例提供了一种数字电源，包括功率电路、模拟补偿电路、基准电压调节电路和数字控制器。模拟补偿电路用于采集功率电路的输出电压，并基于输出电压和接收到的基准电压向数字控制器输出补偿电压；数字控制器用于接收补偿电压，并基于补偿电压和预设周期值输出多路PWM控制信号，多路PWM控制信号包括功率电路控制信号和基准电压控制信号，功率电路控制信号用于控制功率电路执行逆变和整流；基准电压调节电路用于接收基准电压控制信号，并向模拟补偿电路输出基准电压。其中的模拟补偿器能够极大的节省数字控制器的资源，使的环路响应更快，使电源达到更高的带宽，缩短动态响应的时长，从而使该数字电源能够输出稳定的输出电压，满足了电子系统对平稳供电电压的需求

本说明书中的各个实施例均采用递进的方式描述，每个实施例重点说明的都是与其他实施例的不同之处，各个实施例之间相同相似的部分互相参见即可。

本领域内的技术人员应明白，本发明实施例的实施例中的部分功能可提供为方法、装置、或计算机程序产品。因此，本发明实施例可可用完全硬件实施例、或结合软件和硬件方面的实施例的形式。而且，本发明实施例可采用在一个或多个其中包含有计算机可用程序代码的计算机可用存储介质(包括但不限于磁盘存储器、CD-ROM、光学存储器等)上实施的计算机程序产品的形式。

本发明实施例是参照根据本发明实施例的方法、终端设备(系统)、和计算机程序产品的流程图和/或方框图来描述的。应理解可由计算机程序指令实现流程图和/或方框图中的每一流程和/或方框、以及流程图和/或方框图中的流程和/或方框的结合。可提供这些计算机程序指令到通用计算机、专用计算机、嵌入式处理机或其他可编程数据处理终端设备的处理器以产生一个机器，使得通过计算机或其他可编程数据处理终端设备的处理器执行的指令产生用于实现在流程图一个流程或多个流程和/或方框图一个方框或多个方框中指定的功能的装置。

这些计算机程序指令也可存储在能引导计算机或其他可编程数据处理终端设备以特定方式工作的计算机可读存储器中，使得存储在该计算机可读存储器中的指令产生包括指令装置的制造品，该指令装置实现在流程图一个流程或多个流程和/或方框图一个方框或多个方框中指定的功能。

这些计算机程序指令也可装载到计算机或其他可编程数据处理终端设备上，使得在计算机或其他可编程终端设备上执行一系列操作步骤以产生计算机实现的处理，从而在计算机或其他可编程终端设备上执行的指令提供用于实现在流程图一个流程或多个流程和/或方框图一个方框或多个方框中指定的功能的步骤。

尽管已描述了本发明实施例的优选实施例，但本领域内的技术人员一旦得知了基本创造性概念，则可对这些实施例做出另外的变更和修改。所以，所附权利要求意欲解释为包括优选实施例以及落入本发明实施例范围的所有变更和修改。

最后，还需要说明的是，在本文中，诸如第一和第二等之类的关系术语仅仅用来将一个实体或者操作与另一个实体或操作区分开来，而不一定要求或者暗示这些实体或操作之间存在任何这种实际的关系或者顺序。而且，术语“包括”、“包含”或者其任何其他变体意在涵盖非排他性的包含，从而使得包括一系列要素的过程、方法、物品或者终端设备不仅包括那些要素，而且还包括没有明确列出的其他要素，或者是还包括为这种过程、方法、物品或者终端设备所固有的要素。在没有更多限制的情况下，由语句“包括一个……”限定的要素，并不排除在包括所述要素的过程、方法、物品或者终端设备中还存在另外的相同要素。

以上对本发明所提供的技术方案进行了详细介绍，本文中应用了具体个例对本发明的原理及实施方式进行了阐述，以上实施例的说明只是用于帮助理解本发明的方法及其核心思想；同时，对于本领域的一般技术人员，依据本发明的思想，在具体实施方式及应用范围上均会有改变之处，综上所述，本说明书内容不应理解为对本发明的限制。

Claims (9)

1.一种数字电源，其特征在于，包括功率电路、模拟补偿电路、基准电压调节电路和数字控制器，其中：

所述模拟补偿电路用于采集所述功率电路的输出电压，并基于所述输出电压和接收到的基准电压向所述数字控制器输出补偿电压；

所述数字控制器用于接收所述补偿电压，并基于所述补偿电压和预设周期值输出多路PWM控制信号，所述多路PWM控制信号包括功率电路控制信号和基准电压控制信号，所述功率电路控制信号用于控制所述功率电路执行逆变和整流；

所述基准电压调节电路用于接收所述基准电压控制信号，并向所述模拟补偿电路输出所述基准电压。

2.如权利要求1所述的数字电源，其特征在于，所述功率电路为对称半桥同步整流变换器，所述对称半桥同步整流变换器包括功率开关电路和同步整流开关电路，所述功率开关电路与所述同步整流开关电路通过变压器连接。

3.如权利要求2所述的数字电源，其特征在于，所述功率电路控制信号包括两路用于驱动所述功率开关电路的第一PWM控制信号，和两路用于驱动所述同步整流开关电路的第二PWM控制信号，所述第一PWM控制信号与所述第二PWM控制信号的相位差180°。

4.如权利要求1所述的数字电源，其特征在于，所述模拟补偿电路为3型运算放大器补偿网络。

5.如权利要求4所述的数字电源，其特征在于，所述3型运算放大器补偿网络包括第一电阻、第二电阻、第三电阻、第四电阻、第一电容、第二电容、第三电容和运算放大器，其中：

所述第一电阻的一端与所述功率电路的电压输出端电连接，并与所述第三电容的一端连接，所述第一电阻的另一端分别于所述第三电阻的一端、所述第四电阻的一端、所述运算放大器的正相输入端电连接；

所述第三电阻的另一端与所述第三电容的另一端连接，所述第四电阻的另一端接地；

所述运算放大器的正相输入端还与所述第一电容的一端、所述第二电容的一端连接，所述运算放大器的反相输入端用于接收所述基准电压，所述运算放大器的输出端用于输出所述补偿电压；

所述第一电容的另一端分别与所述运算放大器的输出端、所述第二电阻的一端连接，所述第二电阻的另一端与所述第二电容的另一端连接。

6.如权利要求1所述的数字电源，其特征在于，所述基准电压调节电路为有源滤波电路、单级RC滤波电路或多级RC滤波电路。

7.如权利要求6所述的数字电源，其特征在于，所述多级RC滤波电路为两级RC滤波电路。

8.如权利要求7所述的数字电源，其特征在于，所述两级RC滤波电路包括第五电阻、第六电阻、第七电阻、第四电容和第五电容，其中：

所述第五电阻的一端分别与所述第四电容的一端、所述第七电阻的一端连接，且用于输出所述基准电压，所述第四电容的另一端接地，所述第七电阻的另一端接地；

所述第五电阻的另一端分别与所述第五电容的一端、所述第六电阻的一端连接，所述第五电容的另一端接地；

所述第六电阻的另一端用于接收所述基准电压控制信号。

9.如权利要求1所述的数字电路，其特征在于，所述数字控制器包括处理器、数字脉宽调制器和A/D转换电路，其中：

所述A/D转换电路用于接收所述补偿电压，并将数字转换得到的补偿电压值输出至所述处理器；

所述处理器用于根据所述补偿电压值和所述预设周期值进行计算，并向所述数字脉宽调制器输出脉宽调制指令；

所述数字脉宽调制器用于根据所述脉宽调制指令输出所述多路PWM控制信号。

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